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Weißlichterzeugung - Supercontinnum generation in photonic crystal fibers -
Jens Brauer
Physik (Master)
14. Februar 2012
Gliederung
• Generierung eines Superkontinuums
– Selbstphasenmodulation
– Ramanstreuung
– Solitonenspaltung
– Vierwellenmischung
• Photonische Kristallfasern
• Pulsdauer messen – Autokorrelator
• Versuchsaufbau
• Abhängigkeit Superkontinuum - Pulsdauer
• Abhängigkeit Superkontinuum - Leistung
• Fazit
Weißlicht - Superkontinuum
• Weite Anwendungsbereiche in wissenschaftlichen
Untersuchungen:
– Spektroskopie (Licht mit breitem Spektrum vorteilhaft)
– Konfokale Fluoreszenz Mikroskopie
– Optische Kohärenztomografie (OCT) -
Weißlichtinterferometrie
(aus /1/)
Selbstphasenmodulation (SPM)
• Nebeneffekt des Kerr-Effekts:
– 𝑛 𝑡 = 𝑛0 + 𝑛2 𝐼 𝑡
• Dadurch ist auch der Wellenvektor zeitabhängig
𝑘 𝑡 =𝜔0𝑐⋅ 𝑛(𝑡)
• Es kommt zur Einführung einer Phase:
𝜙 = 𝜔0𝑡 − 𝑘(𝑡) 𝑧 = 𝜔0 𝑡 −𝑛0
𝑐 − 𝑛2
𝐼 𝑡 𝑧
𝑐
• Vergrößerung der spektralen Bandbreite:
Δ𝜔 = 𝜔 𝑡 − 𝜔0 =𝜕Φ z, t
𝜕𝑡 − 𝜔0 = −
𝜔0𝑛2𝑧
𝑐⋅𝜕𝐼 𝑡
𝜕𝑡
• Beispiel Gauß-Puls:
Δ𝜔 𝑧, 𝑡 ∝ 𝑡 ⋅ exp(−𝑡2)
Ramanstreuung
• Streuung an Molekülen
oder optischen Phononen
• Absorption => Anti-Stokes
• Anregung => Stokes
• Stimulierte Ramanstreuung in
nichtlinearem Medium:
– Niederfrequente Teil des
Spektrums auf Kosten des
höherfrequenten Teils verstärkt
(aus /3/)
GVD (Group Velocity Dispersion)
𝐺𝐷𝐷 = 𝐺𝑉𝐷 ⋅ 𝐿 =𝜆3𝐿
2𝜋𝑐2⋅𝑑2𝑛
𝑑𝜆2=𝐿
2𝜋𝐷𝜈
Komponenten mit kleineren
Wellenlängen (B) kommen
später an
(aus /2/)
Solitonenspaltung
• Soliton = Welle die ihre Form nicht ändert
• Als Wasserwelle erstmals 1834 von John Scott
Russel entdeckt
(aus /4/)
• Optik: Wellenpaket, welches sich ohne Änderung
seiner Form ausbreiten kann
• Soliton: Effekte der SPM und der GVD
kompensieren sich
• Entstehen z.B. in einer Faser mit großem
Wellenbereich anormaler Dispersion
• Dann: Up-Chirp durch SPM und Down-Chirp durch
Dispersion
(aus /2/)
Solitonentstehung
Analogon
• Schwerer Wagen = intensiver Teil des Pulses
(aus /2/)
• N-Soliton: N Solitonen die sich in
einer Gruppe bewegen
– Pulsform ändert sich periodisch
– 𝑁 =𝛾 𝜆 𝜏𝑝
2𝑃0
𝐺𝑉𝐷(𝜆)
• Spaltung in N fundamentale
Solitonen
• Spaltung initiiert durch
– Induzierte Ramanstreuung
(Rotverschiebung)
– Dispersion höherer Ordnung
(Blauverschiebung)
N=2
N=3
(aus /1/)
Vierwellen-Mischung
• Ausbreitung von 2 unterschiedlichen
Frequenzkomponenten in der Faser
• zwei neue Frequenzen können erzeugt werden
• 𝜈3 = 2𝜈1 − 𝜈2 , 𝜈4 = 2𝜈2 − 𝜈1
• Bsp: Solitonen wechselwirken mit dispersiven Wellen
• Neue Wellenlängen durch Vierwellenmischen
• Tritt besonders bei „langen“ Pump-Pulsen auf (ns)
(aus /1/)
Photonische Kristallfasern (PCF)
• Zwei Kategorien
– Indexgeführte Fasern (mit massivem Kern)
– Photonische Bandlücken-Fasern (periodisch
mikrostrukturierte Struktur und Kern mit niedrigem
Brechungsindex, z.B. Hohlkern)
• Bestimmte Eigenschaften im Vergleich zu normalen
Fasern
– Außergewöhnlich hohe Nichtlinearität
– Optimierte Dispersionseigenschaften (Dispersion lässt sich
„einstellen“ durch Anordnung der Hohlräume)
(aus /5/)
Indexgeführte Fasern
• Lichtübertragung durch Totalreflexion
• Luftgefüllte Bereiche senken den
Brechungsindex
=> Stufenindex-Faser
• Bestehen aus undotiertem Quarzglas
• Sehr geringe Verluste
• Kann bei hohen Leistungen eingesetzt werden
• Flexibilität im Design -> extrem nichtlineare Fasern
möglich
(aus /5/)
Dispersion der verwendeten Faser
Anomale Dispersion
Normale Dispersion
(aus /5/)
Autokorrelator
• Pulsdauer messen
• Elektronische Geräte im Allgemeinen zu langsam
• Optische Messung der Pulsdauer durch Puls selbst
• Unterschied:
– Intensitäts-Autokorrelator
– Interferometer-Autokorrelator
– Feld - Autokorrelator
Intensitätsautokorrelator
(aus /7/)
• Mit 𝐸(𝑡) dem elektrischen Feld zur Zeit 𝑡 gilt:
𝐸𝑆𝐻𝐺 ∝ 𝐸 𝑡 + 𝐸 𝑡 + 𝜏 2 = 𝐸 𝑡 2 + 𝐸 𝑡 + 𝜏 2 + 2𝐸 𝑡 𝐸(𝑡 + 𝜏)
• Durch nicht-kollinearen Aufbau bleibt nur das Signal
auf der optischen Achse übrig: (2𝐸 𝑡 𝐸(𝑡 + 𝜏))
• Detektor misst integriertes Signal
𝐼𝐴𝐶 𝜏 ∝ 𝐸 𝑡 ⋅ 𝐸 𝑡 + 𝜏2 𝑑𝑡 = 𝐼 𝑡 𝐼 𝑡 + 𝜏 𝑑𝑡
• Bei bekannter Pulsform lässt sich Pulsdauer
bestimmen
• Nachteil: Keine Information über spektrale Phase
Beispiel – Intensitäts-Autokorrelation
(aus /6/)
Interferometrie-Autokorrelation
𝐼𝐴𝐶 𝜏 = 𝐸 𝑡 + 𝐸 𝑡 + 𝜏2 2
(aus /6/)
(aus /6/)
Beispiel – Interferometer-Autokorrelation
Versuchsaufbau
P1, P2 : Prism, AC:Autocorrelator, OB1,OB2: microscope objective, L:lens
Superkontinuum
(aus /1/)
(aus /8/)
Abhängigkeit Spektrum - Leistung
• Nichtlineare Effekte abhängig von Leistung (Kerr-Effekt)
• Spektrum breiter je höher die Leistung
𝜏𝑝,𝑚𝑖𝑛 = 107 ± 3 fs
Abhängigkeit Pulsdauer – Ort P2
Abhängigkeit Spektrum - Pulsdauer
• Solitonenspaltung durch Dispersion höherer
Ordnung nur für „kurze“ Pulse
• Spektrum breiter je kleiner die Pulsdauer
Spektrale Verbreiterung entlang der Faser
(aus /1/ - RP Photonics)
• Ab 1 mm wird spektrale Verbreiterung weniger, da
Leistung abnimmt
Fazit
• Superkontinuum lässt sich heutzutage mit
einfachen Mittel erzeugen
• Justierung sehr schwer, zeitaufwendig
• Theoretisch erwartete Effekte konnten mit den
Messungen bestätigt werden
Quellen:
• /1/ Paschotta, R., Supercontinuum generation, http://www.rp-
photonics.com/supercontinuum_generation.html
• /2/ Saleh, B. und Teich,M.V., Grundlagen der Photonik, Wiley-VCH, 2008
• /3/ Stimulated Raman Scattering,
http://www.esrl.noaa.gov/psd/outreach/education/science/raman/
• /4/ Spintronik mit Solitonen,
• http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/spintronik/solitonen/
• /5/ Technische Erläuterungen zur Faseroptik, Newport:
http://www.newport.com/store/gencontent.aspx?id=978863&lang=1031&print=1
• /6/ Optical autocorrelation, http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_autocorrelation
• /7/ Eichler, J., Laser – Bauformen, Strahlführung, Anwendungen , Springer Verlag, 2010
• /8/ Bohn, T., Aufbau und Charakterisierung einer Ultrakurzpuls-Weißlichtquelle zur
Spektroskopie von Metall-Nanopartikeln, Diplomarbeit, Uni Oldenburg, 2009
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